코팅된 탄소섬유 강화 C/SiC복합재료의 기계적물성

김진구, 이명천

동국대학교 화학공학과

The Mechanical Properties of C/SiC Composites

Reinforced with Coated Carbon Fiber

Jin Goo Kim, Myung Cheon Lee

Department of Chemical Engineering, Dongguk University

서론

세라믹 재료는 내열성, 내마모성, 내후성 및 낮은 밀도 등으로 인하여 고온에서의 응용 및 구조재료로의 사용이 기대되는 물질이다. 그러나 세라믹은 쉽게 깨어지는 성질 때문에 그 응용에 있어 제한을 가지고 있다. 이러한 세라믹의 brittle한 성질을 개선하기 위하여 입자, whisker 그리고 섬유 등을 강화재로 사용하여  복합재료를 만들게 된다.

세라믹 복합재료의 경우 사용되는 강화재의 종류에 따라서 그 강화효과가 다르게 나타나게 되는데 일반적으로 사용되는 강화재중 particle은 4-7MPa·m1/2, whisker의 경우 7-10MPa·m1/2 그리고  fiber의 경우 세라믹 복합재료가 나타낼수 있는 인성은 약15 - 20MPa·m1/2 정도이다. 섬유를 사용했을 때 이렇게 높은 인성을 나타내는 것은 그 파괴양상이 단일 세라믹스의 직렬형 파괴양상과는 달리 파괴가 지그재그로 진행하는 병렬형 파괴를 일으켜 에너지가 더 많이 필요하기 때문이다.

세라믹스 복합재료에 쓰이는 보강재는 먼저 강도와 내크립성이 커야 하고 매트릭스에 비해 열팽창계수가 좀 크거나 비슷해야 하며, 매트릭스와 지나친 반응을 하지 않아야 한다. 따라서 매트릭스와 강화재 사이에 다른 층을 만들어 결합력을 조절하고 계면에서의 반응을 억제하기 위하여 섬유에 코팅을 하거나 개질을 하게 되는데 whisker의 경우 표면을 개질하기 위한 방법으로 다음과 같은 방법이 사용되고 있다.

Table 1. Modification of Whisker Surface

Oxidation/Reduction	High temperature air oxidation Surface reduction
Acid Etching	HF treatment
Oxide Coating	Precipated oxide(Ti02)
Metal Coating	Electroless plating(Ni, Cu)
Polymer Coating	Controlled polumerization Adsorbed polymer Volatile solvent
Non-oxide Coating	CVD(BN) Pyrolyzed polymer(C, Si3N4) Reduced oxide (TiN, BN)

섬유 강화 복합재료를 만드는 목적은 재료의 강도를 높이기 위한 것과 인성을 증가시키기 위한 것이다. 강도를 목적으로 할 경우에는 섬유와 매트릭스의 결합이 강하고 보강재의 탄성계수가 매트릭스의 탄성계수보다 높아야 한다. 반면에 재료의 인성증가를 목적으로 할 경우에는 섬유와 매트릭스 사이의 결합을 약하게 만들어야 하는데, 섬유와 매트릭스 사이의 결합이 약할 경우 균열접속에 의하여 재료의 인성이 증가하는 효과가 나타난다.  대표적인 예는 SiC whisker로 강화된 Al2O3 절삭공구의 경우로 그 강도와 인성이 2배 이상 증가하여 결과적으로 그 수명을 연장시키는 효과를 가져왔다.

본 연구에서는 탄소섬유와 SiC whisker를 사용하여 복합재료를 제조하고 계면에서의 결합력을 조절하기 위하여 탄소코팅을 하여 제조한 복합재료와 기계적 물성을 비교 연구한다.

실험

1. 재료

□-SiC : H.C. Starck, UF-05

Polycarbosilane(l-PCS) : Nippon carbon Co. LTD

Vinylpolysilane(VPS) : Synthesized in lab.

소결조제 : Al2O3

Carbon fiber mat : AS4

2. 실험방법

VPS, l-PCS, □-SiC, solvent(THF), Al2O3

Slurry

Coating the carbon fiber mat with slurry

Laminating the carbon fiber mat (7 sheets)

Pressing in graphite mold

In Ar circumstance,

280℃ 30min, 600℃ 40min and 1200℃ 60min

Fig.1. Composite processing

탄소섬유는 먼저 650℃, Ar분위기에서 sizing을 제거하였다. 탄소섬유를 코팅하기 위해서 페놀수지와 메탄올을 혼합한 용액에 섬유를 10분간 함침시킨후 건조시키고, sizing제거와 같은 조건 즉650℃, Ar분위기에서 탄화시켜 섬유에 코팅을 하였다. 코팅된 탄소섬유의 표면은 SEM을 사용하여 관찰하였으며 Fig.2.에 나타내었다.

본 실험에서는 복합재료를 제조하는데 slurry infiltration 방법을 사용하였다.

Slurry infiltration법은 공정이 간단하고 단시간에 만들 수 있는 장점이 있다. Slurry infiltration의 경우 수지를 슬러리 상태로 섬유사이로 통과시킬수 있는 접합재의 역할이 매우 중요한데 지금까지는 SiC유기고분자 전구체인 polycarbosilane(PCS)이 널리 알려져 있다. 접합재로서 좋은 전구체의 조건은 세라믹 수율이 높으면서 액체 형태이거나 열이나 용매에 녹는 것이다.

실험실에서 합성한 Vinylpolysilane(VPS)과 Polycarbosilane(l-PCS) 그리고 □-SiC를 적당한 양의 THF에 소결제인  Al2O3 와같이 혼합하여 slurry를 만들고 탄소코팅을 한 carbon fiber mat에 혼합 slurry를 도포한다. 코팅된 7장의 carbon fiber mat를 적층하고 흑연몰드 안에서 압력을 가한 후 Ar분위기 하에서 소결시켜 고형화 시킨다.

만들어진 SiC/C 복합재료는  3점 굴곡강도 시험을 통하여 flexural strength, flexural modulus 그리고 ultimate flexural strain을 측정하였다. 재료의 bulk density는 ASTM C 378-88방법에 의하여 측정되었다.

Fig.2. SEM Photomicrographs showing (a) carbon fiber (b) coated carbon           fiber with phenol 40%

결과

코팅하지 않은 탄소섬유로 제조된 복합재료는 최종 strain값이 평균 2.83을 나타내었다. 이때 혼합슬러리의 조성은 □-SiC : l-pcs : VPS 가 56 : 14 : 30이었으며 전체질량의 3%에 해당하는 Al2O3가 소결조제로 사용되었다.

탄소코팅에 의한 최종 strain의 변화는 페놀이 20%에서 30%까지일 경우 완만히 증가 하였고 이때 최종 strain의 증가는 각각 1.2배와 1.4배였다. 코팅에 의해서 strain 이 증가하는 것은 섬유표면의 탄소층이 기지재와의 결합력을 약화시켰기 때문으로 생각되며, 페놀이 40%일 경우는 지나친 결합력 약화로 감소하였다고 판단된다.

Fig.3. Ultimate flexural strain(x10-3) change by coating ratio

참고문헌

[1] D.W. Shin, Hidehiko Tanaka, "Low-Temperature Processing of Ceramic Woven Fabric/Ceramic Matrix Composites",J. Am. Ceramic. Soc. 77[1]97-104 (1994)

[2] E. Fitzer, R. Gadow, "Fiber-Reinforced Silicon Carbide", J. Am. Cerm. Soc. Bull. 65[2]326-35(1986)

[3] D. Belitskus, "Fiber and Whisker Reinforced Ceramics for Structural Applications", Marcel Dekker, Inc., 1993, 134-145